地源热泵系统的设计开题报告

一、选题的意义及依据

20世纪70年代，世界能源结构已经经历了三次大转变，即从木柴转向煤炭由煤炭转向石油和天然气，继而又从以油、气为主的能源系统转向以可再生能源为基础的持久能源系统。据资料，目前全世界已经探明的煤炭、石油、天然气、油页岩等石化燃料资源的总量，大约只够人类使用100年。

目前在我国的能源构成中煤占70%以上，石油及天然气占25%，但能源利用率仅在30%以下。针对我国的能源紧缺、能源利用率低、能源浪费严重的现状，建设部于1996年下发《建筑节能技术政策》，明确今后我国建筑节能的任务是在保证使用功能、建筑质量和室内环境符合小康目标的前提下，采取各种有效的节能技术与管理措施降低新建房屋单位建筑面积能耗。同时对既有的建筑物进行有计划的节能改造，达到提高居住热舒适性、节约能源和改善环境的目的。所以，地源热泵系统近年来被越来越多人们所提及。

地源热泵系统是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，是热泵的一种。热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备。地源热泵系统是以浅层地热作为能量载体，利用地下土壤巨大的蓄热蓄冷的能力，通过压缩机系统，在夏季将建筑物内的热量转移到地下土壤中，在冬季将地下土壤的热量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环.。实现了建筑物的制冷和供暖，有着节能减排降低能耗的功能[1]。

地源热泵技术的历史可以追溯到1912年瑞士Zoelly提出“地源热泵”这一概念。1946年美国开始对地源热泵进行系统研究，在俄勒冈州建成第一个地源热泵系统，运行很成功。到目前为止美国已安装了600，000台，而且计划每年安装40万台的目标，能降低温室气体排放一百万吨，相当于减少50万辆汽

车的污染排放或种植树一百万英亩，年节约能源费用4.2亿美元。瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用地源热泵，用于供暖及提供生活热水。由此可见，地源热泵系统作为一项节能环保的新能源技术，其推广对人类生产生活是相当有意义的。

二、国内外研究概况及发展趋势

2.1 国外研究概况

国外对地源热泵的研究相对较早，20实际30、40年代，英、美等国已进入了热泵的研制开发阶段。第二次世界大战后，美国许多大公司同时发展了各种热泵，其中以小型热泵空调器发展最为迅速，出现了发展热泵的高潮。与此同时，西欧各国，如比利时、法国、联邦德国、瑞士等也致力于热泵的研究与开发。早期的地源热泵研究主要集中于岩土的传热性质、地埋管换热器形式、埋管的影响因素等方面。20世纪80年代到90年代初，美国开展了冷热联供地源热泵方面的研究工作，不少文献报道了地源热泵不同形式的地埋管换热器的传热过程计算机模拟计算方法。地埋管换热器的设计计算模型据不完全统计约有30种。对于地埋管换热器的设计计算，各国以及一些大学和公司都分别提出了各自的设计计算方法，它们都是基于不同的模型或者计算方法得出的，有代表性的模型主要有以下3种[2]:

(1)1948 年，Kelvin 的线热源模型。该模型是将土壤看成无限大物体, 埋管看成是具有恒定能量的无限长线热源，计算的误差较大。目前大多数地源热泵设计是用该理论作基础，如国际地源热泵协会和俄克拉荷马州立大学提出的设计方法都是以Kelvin的线热源理论为基础的。

(2) 1983年，BNL修改过的线热源模型。它是将埋管周围的岩土划分为两

个区，即严格区和自由区, 在地源热泵运行时，不同区域之间的热传导引起区域温度的变化。

(3) 1986年，V.C.Mei提出的三维瞬态边远界传热模型,该理论时建立在能量平衡的基础上,由系统能量平衡方程结合热传导方程构成。岩土热物性测试理论与方法一直是地源热泵研究的一个重点。因为岩土热物性是地埋管换热器设计的基础数据。在计算地埋管换热器的传热能力时必须用到地下数十米甚至更深地层的热物理性质数据。岩土层热物性的地域性强不同区域、不同土层深度、不同的地质构造热物性也都不一样。同时与现场安装情况密切相关。目前主要有现场测试与实验室测试两种方法。较为准确的确定底层热物理性质一直是地源热泵研究的热点之一[3]。

二十一世纪初期，瑞典建立了现场岩土热物性参数测定和地温监测系统，有数学家帮助建立地温场模型，每一个地源热泵系统在建设前就进行了精确的计算和预测模拟，现在国际地源热泵协会总部所在地美国俄克拉何马大学都在学习瑞典的经验。同时，我们可以看到，在美国和加拿大，更多的地源热泵在提供建筑空调、供暖和热水以外的服务，如桥梁的桥面防冻，农业和水产养殖，冷库等。此外，利用地源热泵进行道路的积雪清除是日本比较早的地热研究项目。在日本地源热泵受到重视是在1990年以后，主要是在以中国地区为中心的四国岛及九州地区的空调和道路融雪等规模的利用。在日本寒冷的地区，由于积雪而造成的交通事故很多，且往往主要出现在转向较急的地方。因此在某些关键地方采用地源热泵融雪系统很有必要。为了提高冬天时运行的工作效率，在夏季可以采用同一系统收集道路上的太阳辐射热能，蓄热到地下。这一技术的研究和应用将对我国北方严寒地区冬季道路融雪提供良好的借鉴.

2.2 国内研究概况

20世纪50年代，我国开始空气源热泵方面的研究工作，而地源热泵的发展则比较缓慢。在国家自然科学基金委员会的资助下，自20世纪90年代初期以来国内开始了对地源热泵的探索性研究。1988年中科院广州能源研究所主办了“热泵在我国应用与发展问题专家研讨会”。20世纪90年代以后，由于受国际大环境的影响以及地源热泵自身所具备的节能和环保优势，这项技术日益受到人们的重视，越来越多的技术人员开始投身于此项研究。1998年重庆建工学院建设了包括浅埋竖管换热器和水平埋管换热器在内的实验装置；刘宪英，王勇等人从1999年开始，在国家自然科学基金的资助下对浅埋竖直管换热器的采暖、供热特性进行了研究[4]；1999年同济大学建设了垂直地源热泵装置；张旭等人从1999年开始,在联合技术公司(UTC)的资助下针对长江中下游地区含水率较高的土壤的蓄放热特性进行了土壤-太阳能复合热源的研究[5]。此外，清华大学、浙江大学、天津大学、华中科技大学、山东建筑工程学院及中科院广州能源研究所等高校和科研单位也对土壤源热泵进行过研究,并取得了一定的成果[2]。

国内对地源热泵的研究主要集中在以下5个方面：地下换热器的传热计算模型的建立；地下换热器传热计算的模拟研究；地下换热器的筛选及埋地盘管合理管间距的理论分析；土壤冻结对地下换热器传热的影响；地下换热器间歇运行工况的分析[6]。目前，国内外的热泵产品主要以风冷热泵和地源热泵为主。输出温度大于60摄氏度，以地源或低温地热水(50摄氏度以下)为热源的高温地源热泵在国内只有少数几个单位在研制，如中科院广州能源研究所、天津大学、清华大学等。广州能源研究所于2001年初率先推出了最高出水温度可达75℃的高温地源热泵机组，并在近两年里由其下属公司—北京中科能源高科技有限公司在